L'atmosphère primitive s'est formée il y a plus de 4 milliards d'années, alors que la Terre se refroidissait et que certains éléments très légers se sont échappés du magma originel pour former l'enveloppe atmosphérique de l'époque, composée essentiellement d'hydrogène et d'hélium. Le dégazage du magma qui s'est poursuivi a injecté ensuite des gaz plus lourds, et il y a environ 3,5 milliards d'années, l'atmosphère contenait beaucoup plus de carbone (sous forme de dioxyde de carbone ou CO2) que maintenant. Dès l'apparition de la vie primitive sur terre (il y a 3,5 milliards d'années), et l'activation du processus de photosynthèse, l'atmosphère s'est lentement transformée; le dioxyde de carbone a été remplacé par l'oxygène, et petit à petit l'atmosphère a trouvé sa composition actuelle, à savoir environ 78 % d'azote (N2), 18% d'oxygène (O2), moins de 1 % d'argon (Ar), le reste étant composé de gaz à l'état de trace (vapeur d'eau, dioxyde de carbone, etc.).